电动汽车无线充电时的电磁环境及安全评估

陈 琛 黄学良 谭林林 闻 枫 王 维

(1.东南大学电气工程学院 南京 210096 2.江苏省智能电网技术与装备重点实验室 镇江 212000)



电动汽车无线充电时的电磁环境及安全评估

陈 琛1，2黄学良1，2谭林林1，2闻 枫1，2王 维1，2

(1.东南大学电气工程学院 南京 210096 2.江苏省智能电网技术与装备重点实验室 镇江 212000)

近来，无线电能传输技术受到了越来越广泛的关注，同时，该技术也被尝试应用于电动汽车以实现电动汽车的无线充电。与能量在自由空间传播相比，电动汽车无线充电时的电磁环境有很大不同，而电磁安全问题也变得日益突出。基于上述问题，首先分析了该领域的安全限制与标准问题；其次通过仿真分析了电动汽车充电时的参数变化、电磁环境以及对人体的影响；最后通过电动汽车试验来验证仿真结果，系统实现了约为3.5 kW的能量传输。该研究可为无线充电电动汽车的优化设计提供理论依据。

电磁场 电动汽车 无线电能传输 谐振

0 引言

随着能源危机和环境污染问题的日益加深，发展电动汽车(EV)被世界公认为解决方法之一[1]。随着电动汽车的快速增长，必然会对电动汽车的充电方式多样化和方便性提出更高要求。目前各国电动汽车的充电主要以充电站、充电桩或换电池的模式为主，而电池充电站的建设成为制约电动汽车发展的最大瓶颈。无线电能传输技术(WPT)作为一项新兴技术，目前已经商业化运作，主要应用于手机、计算机、随身听等小功率设备的充电上，而基于无线电能传输技术的电动汽车也成为各大汽车厂商及科研机构的关注焦点[2]。与充电站等接触式充电方式相比，电动汽车的无线充电可以解决火花、积尘、接触损耗及机械磨损等一系列有线充电带来的问题，同时可以实现停车位自动充电和移动供电，由此可降低对电池容量的要求，降低电动汽车购买成本，增强电动汽车的续航能力。随着WPT技术的成熟，电动汽车将是无线充电设备领域中最具潜力的市场。

随着无线充电电动汽车的推广，其电磁环境及安全问题也势必会暴露于公众的视野中。无线电能传输技术应用于电动汽车时的工作状态，将区别于能量在自由空间中传播的情况[3-10]，除WPT系统自身的耦合外，还存在与外部环境的耦合，车身、底盘等因素将对系统周围的电磁环境产生影响，从而使系统的参数发生变化，而该耦合将严重影响到系统的工作状态与稳定性。另一方面，若要进一步推进无线充电电动汽车的发展应用，对其充电时电磁安全性研究十分关键。美国汽车工程师协会(SAE)将轻型电动汽车无线充电的标准频带确立在85kHz，频带范围为81.38～90.00 kHz，这一频段的安全标准，大部分发达国家以国际非电离辐射防护委员会(ICNIRP)制定的《Guidelines for Limiting Exposure to Time Varying Electric，Magnetic and Electromagnetic Fields(up to 300 GHz)》、美国国家标准协会(ANSI)和美国电子电气工程师协会(IEEE)共同制定的《IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields 3 kHz to 300 GHz》两个准则为基础制定本国的法律规范，我国也出台了一系列与电磁安全相关的法规和标准[11，12]，如表1所示。

表1 ICNIRP导则与征求意见稿电磁安全导出限值的对照

表1中中国的数据为我国最新的征求意见稿，由表1可见，我国在电磁安全限制上的要求严于国际标准，并将逐步加强对电磁环境安全的监管与要求，因此开展相关工作十分必要。

1 系统建模

1.1 电动汽车无线充电系统模型

电动汽车无线充电系统主要借助于交变磁场将能量从发射线圈传递到接收线圈，实现对电动汽车电池的供电。图1是一个典型的基于磁耦合谐振无线电能传输技术的充电装置，它由独立的两个部分组成，分别连接到电源和负载，图2为其等效电路。

图1 基于WPT的电动汽车充电模型

图2 电动汽车充电模型等效电路

图1中，充电系统由发射功率源、发射器、接收器及负载电池组成。图2中，U为高频逆变源；ZS为电源内阻；L1为发射线圈的等效电感；L2为接收线圈的等效电感；R1为发射线圈在高频下的等效电阻；R2为接收线圈在高频下的等效电阻；M为两线圈之间的互感；C1为发射线圈在高频下的寄生电容；C2为外接可调电容；ZL为负载电阻。根据等效电路可列出系统的KVL方程

(1)

式中

系统的输出功率为

(2)

在仿真环境中，将电动汽车作为独立研究对象，谐振器线圈半径为30 cm，自感为50.72 μH，匝数为11匝。将一个3.2×1.5 m的金属板作为电动汽车底盘置于距离接收线圈下方1 cm的位置。仿真参数如表2所示，仿真模型如图3所示。

表2 系统参数配置

图3 电动汽车仿真模型

1.2 人体模型

为了探究电动汽车无线充电时对人体的影响，结合不同组织在100 kHz左右时相应的电磁参数建立了真实人体三维电磁模型作为负载。人体高度为1.7 m，体重为65 kg，并通过查阅相关文献获得人体各器官存在的电磁参数[13-15]，如表3所示，仿真模型如图4所示。

表3 人体电磁参数

图4 人体仿真模型

2 磁场仿真

2.1 电动汽车金属底盘对系统参数的影响

当充电系统中引入电动汽车的金属底盘后，系统周围的电磁场受到金属底盘的屏蔽作用。金属板的屏蔽性能一般以屏蔽效能SE(dB)表示，定义为

SE=20lgE0/E1(dB)

SE=20lgH0/H1(dB)

(3)

式中：E0、H0分别为未屏蔽时测得的场强；E1、H1分别为屏蔽后测得的场强。磁场和电场的屏蔽效率为

SE=A+R+B(dB)

(4)

式中：A为电磁波在障碍中传输时的衰减损耗，即吸收损耗；B为电磁波在障碍中的多次反射效应；R为电磁波在两个界面处的反射效应，即反射损耗。

由于金属底盘的引入带来屏蔽作用，使得磁力线在空间的分布发生变化，因此二次线圈的耦合也随之发生变化，并且在交变磁场中，障碍中感应出涡流，涡流产生的新磁场与原磁场相反。受以上因素的影响，无线充电系统的电感和互感均发生变化。

在系统中引入金属底盘后，上述作用同时影响谐振器的磁场，这些作用使得自感、互感的数值计算相当困难，因此，本文通过有限元仿真的方法对金属底盘引入后的系统参数变化进行分析。

2.1.1 金属底盘对线圈自感和互感的影响

分别将金属底盘设置为铜和铁。其中，铁的电导率为1.12×107S/m，相对磁导率为4 000，铜的电导率为6×107S/m，相对磁导率为1。可得到不同频率下线圈自感的变化曲线如图5所示。

图5 金属底盘对线圈自感的影响

通过仿真结果可以看出，由于金属底盘的存在，线圈自感随着工作频率的增加而减小。铜板对线圈自感的影响较微弱，而当铁板存在时，线圈自感会随着频率的增大而急剧下降，当频率高于1 kHz时，自感下降的速度将会减慢。此时，在高频情况下，铜板与铁板对线圈的自感产生的影响近似相等。

同样，在相同参数下对两线圈的互感进行分析，两线圈之间的距离为25 cm。由于金属障碍物的阻碍，且金属介质的尺寸远大于谐振器的尺寸，此时的互感接近于0，因此可以忽略。

2.1.2 改装后的底盘对线圈自感和互感的影响

为了降低金属底盘对系统的影响，将金属底盘放置传输线圈位置切割一个圆形缺口，切割圆与谐振器同轴，从而保证发射线圈与接收线圈的紧密耦合。通过改变切割圆半径，可以改善底盘对系统自感和互感的影响。结果如图6、图7所示。

图6 改装后的底盘对线圈自感的影响

图7 改装后的底盘对线圈互感的影响

图8为输出功率随切割圆半径变化曲线。由图8可看出，随着切割圆半径的增大，线圈的自感和互感均逐步增大，逐渐抵消底盘对系统参数的影响。在高频时，这种抵消作用更为明显。当系统工作在高频时，如果切割圆半径小于谐振器半径，电感和自感将会随切割圆半径的增大缓慢增长，而当切割圆半径大于谐振器半径时，电感和自感将会迅速增大后趋于平稳。

图8 输出功率随切割圆半径变化曲线

2.1.3 改装后的底盘对系统频率和输出功率的影响

当谐振器的自感发生变化时，系统的谐振频率发生变化，与工作频率产生偏移，导致系统失谐，功率与效率下降，通过可调电容的自动补偿，将会使系统重新达到谐振状态，并恢复至初始的工作频率。

而当谐振器的互感发生变化时，根据式(2)可知，系统的输出功率也将随之变化。由图8可看出，当切割圆的半径小于谐振器半径时，几乎没有功率输出，而当切割圆的半径大于谐振器半径时，输出功率将迅速增大直至平稳。结合曲线可知，切割圆的半径应当尽量增大，以降低金属底盘对输出功率的影响。

2.2 电动汽车无线充电时的电磁环境

将电动汽车作为研究对象，对电动汽车无线充电系统进行建模。发射线圈与接收线圈为盘式圆形线圈，谐振器设置在电动汽车尾部，周围10 m半径的空气作为仿真区域。

仿真结果如图9和图10所示。由图可看出，当系统引入金属底盘后，磁场分布将会发生改变，磁力线受到阻碍。在底盘的边缘部分磁力线受到的影响更为严重。

图9 电动汽车充电时的磁场分布

图10 电动汽车充电时的磁力线分布

在引入电动汽车的金属底盘后，底盘将会起到对磁场的屏蔽作用。在距离车尾10 cm处分别对有无底盘时的电磁环境进行仿真，结果如图11所示。金属底盘将对磁场产生屏蔽作用，可很好地对人体进行保护。

图11 改装后的底盘对电磁的屏蔽作用

2.3 电动汽车无线充电时对人体的影响

由表1可知，在电动汽车无线充电频段内，ICNIRP规定电流密度公众暴露限值为2 000 mA/m2，SAR限值为2 W/kg，功率密度限值为10 W/m2。图12为电动汽车在输出功率为3.5 kW时车内外人体各器官电流密度、SAR及功率密度的最大值。从图12中可看出，无论车内车外，其电磁安全指标均满足ICNIRP的限值要求，在车内，心脏的电流密度最大，为610 mA/m2，约达到标准的30.5%，而对于SAR值和功率密度，在车内时肺脏均是受影响最严重的器官，SAR值为1.2×10-3W/kg，功率密度为3.16 W/m2，分别达到标准的0.06%和31.6%。由此可知，在各器官中，系统对心肺的影响较其他器官更为显著，需作为重点防护的对象。而由于车身的屏蔽作用以及电磁参数随距离的急剧衰减，车外的电磁安全指标明显优于车内。

图12 电动汽车无线充电时身体器官电磁物理量最大值

3 实验验证

通过以上分析，课题组研制了磁耦合谐振式无线充电电动汽车，图13和图14为实验装置。结合理论分析与电动汽车实际情况，对汽车底盘进行改装，切割一个半径为45 cm的圆形缺口，工作频率为100 kHz。发射线圈置于路面，接收线圈装于屏蔽盒紧挨汽车底盘。实验装置实现了约为3.5 kW的功率传输，与仿真结果大致相同，并且可以证明，在电动汽车无线充电的真实环境中，可基本满足美国汽车工程师协会(SAE)J295TM工作组制定的“输出功率最低的WPT1为3.7 kW”的标准要求。

图13 能量自由传输时的实验装置

图14 电动汽车充电时的实验装置

4 结论

电动汽车在无线充电时的电磁环境具有与其他设备工作时不同的性质，无线充电电动汽车的各项参数(自感、互感)与其在能量自由传播时相比将会发生很大变化，从而对工作频率、功率以及效率等产生影响，因此，本文通过仿真分析电动汽车无线充电时的电磁环境问题，可对无线充电系统的参数设置、系统在电动汽车上的位置和底盘的改装起到指导作用。同时通过分析电动汽车无线充电时的电磁环境变化以及对人体的影响可以看出，无线充电电动汽车满足国内外关于电磁安全的相关标准，由此可以减少公众对该技术的顾虑，有利于无线电能传输技术在电动汽车领域的推广与发展。

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Electromagnetic Environment and Security Evaluation for Wireless Charging of Electric Vehicles

ChenChen1,2HuangXueliang1,2TanLinlin1,2WenFeng1,2WangWei1,2

(1.School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2.Key Laboratory of Jiangsu Province Smart Grid Technology with Equipment Zhenjiang 212000 China)

Nowadays，wireless power transfer increasingly catches a wide range of eyes and thus has been introduced into the area of electric vehicle(EV) so as to realize the wireless charging of EV batteries.Compared to the power transmission in free space，there are several differences in the electromagnetic environment when EV is charging and the electromagnetic security problem is becoming prominent.In this work，the margin of safety and the related standards are discussed first.In addition，the simulation is carried out to analyze the parametric variation，electromagnetic environment and their corresponding influences on human bodies.Finally，an experimental platform is built to verify the simulation results.The system realizes a wireless charging of EV with 3.5 kW power.The research can provide the theoretical basis for the optimization design of wireless charging electric cars.

Electromagnetic field，electric vehicle，wireless power transmission，resonance

国家高技术研究发展(863)计划(2012AA050210)、国家自然科学基金(51177011)、教育部博士点基金(20120092110061)和江苏省普通高校研究生科研创新计划(CXLX13_088)资助项目。

2015-05-30 改稿日期2015-06-12

TM154；TM46

陈 琛 男，1989年生，博士研究生，研究方向为无线电能传输技术。(通信作者)

黄学良 男，1969年生，教授，博士生导师，研究方向为无线电能传输技术、新型能源转换装置研究、智能用电技术等。